前言：集成電路(芯片)是用光刻為特征的制造工藝，一層一層制造而成。所以,芯片技術中就有了“層”的概念。那么，芯片技術中有多少關于“層”的概念？媒體報道說美光公司推出了176層的3D NAND閃存芯片，這里的“層”又是什么意思？本文從科普的視角，來個“層層”全解析。

要說明芯片技術中“層”的概念，要先大致了解一下芯片的設計和制造過程。這些科普內容已在我的另一片文章“【芯論語】光刻如何一步一步變成了芯片制造的卡脖子技術？”中介紹過[5]。該文介紹了光刻工藝如何按照芯片設計布圖(Layout)，一層一層把不同的半導體材料制作在硅片上，最后形成了一個有結構的電路元器件層的過程。本文不再展開論述，僅引用了這篇文章中如下兩張圖加以說明。

芯片布圖在制造準備過程中被分離成多個掩膜圖案，并制成一套多張的掩膜版(圖2b)。芯片制造廠按照工藝順序安排，逐層把掩膜版上的圖案制作在硅片上，形成了一個立體的晶體管(圖2c)。

一個芯片上可以包含數億～數百億個晶體管，并經過互連實現了芯片的整體電路功能。經過制造工藝的各道工序后，這些晶體管將被同時加工出來。并且，在硅晶圓上整齊排滿了數量巨大的相同芯片，經過制造工藝的各道工序后，這些芯片也將被同時加工出來。

一、材料介質層 vs電路層

芯片布圖上的每一層圖案用不同顏色標示。對應每一層的圖案，制造過程會在硅晶圓上制做出一層由半導體材料或介質構成的圖形。本文把這些圖形層稱之為材料介質層。例如P型襯底層、N型擴散區層、氧化膜絕緣層、多晶硅層、金屬連線層等。芯片布圖有多少層，制造完成后的硅晶圓上基本就有多少材料介質層。根據工藝安排，材料介質層的層數也許還會有增加。

芯片制造就是按照芯片布圖，在硅晶圓上逐層制做材料介質層的過程。材料介質層在硅晶圓上疊加在一起，就形成了整個芯片上，乃至整個硅晶圓上所有的電路元器件。它們主要包括晶體管(三極管)、存儲單元、二極管、電阻、連線、引腳等。

圖4.芯片微觀示意圖 (從材料介質層角度看是縱橫交錯的線條，從電路層角度看是平鋪在硅片上的一層電路元器件)

這些電路元器件從材料介質層的角度上看是有結構的、立體的。但是，電路元器件是平面分布在硅片上，乃至整個硅晶圓上，它們是二維(2D)分布的，是一個平面層。本文把硅晶圓上的電路元器件層稱之為電路層。這樣的芯片裸片封裝起來就是早期傳統的平面芯片(2D芯片)。

二、平面結構器件 vs側向結構器件

電路層中，早期電路元器件的結構是平面擺放的，稱為平面(Planar)結構器件。為了提高芯片集成度，電路元器件特別是晶體管尺寸一直在按照摩爾定律縮小，當器件尺寸縮小到不能再縮小的時候，業界發明了把電路元器件豎起來的結構形式，以縮小芯片面積。有人把這種豎起來的器件稱為三維(3D)、立體的結構器件。筆者覺得將其稱為側向(Sideways)結構器件更為準確。因為如論平面結構器件還是側向結構器件，雖然從材料介質層角度看都是立體的，但是從元器件整體來看，它們平面分布在硅晶圓上，只是一層電路元器件，并沒有立體的概念。

早期的芯片制造工藝比較傳統，在硅晶圓上只能制造一個電路層。電路元器件的結構不管是平面的(圖5a、圖6a)，或者是側向的(圖5b、圖6b)，元器件上面不再有元器件的堆疊。經過電路層制造、劃片、封裝和測試，就完成了芯片制造的全過程。這種單個電路層的芯片就是早期傳統的平面芯片(2D芯片)。

三、多層芯片堆疊封裝，形成偽3D芯片

隨著芯片封裝工藝進步，為了縮小芯片尺寸，業界發明了多層芯片堆疊封裝技術。開始時，堆疊封裝是把多個芯片裸片堆疊放置在一起，把芯片之間的信號通過邦定(bonding)技術連結，組成內部的完整系統，再把外部信號通過封裝引腳外連，最后封裝成為一個完整芯片(圖7a)。后來，業界發明了硅通孔(TSV)技術，堆疊的芯片裸片之間的信號是通過TSV連接，形成了更加緊湊的多芯片堆疊封裝芯片。

這種芯片內部有多個電路層，它們可以稱為立體芯片，或者稱為3D芯片。但是，這種3D芯片是在封裝階段通過多層芯片裸片堆疊形成的，從芯片制造角度看，這種3D芯片只能看作是偽3D芯片。

四、多層電路層堆疊制造，形成真3D芯片

目前，芯片制造工藝已發展到爐火純青的地步。為了節省硅片面積，在下面的電路層制作完成之后，可以繼續在其上制做另一層電路層，形成兩個、甚至多個電路層在硅晶圓上的堆疊，在芯片制造階段就完成了3D芯片的制造。這樣就實現了真正意義上的立體芯片，也簡稱3D芯片。

這種技術目前主要用在3DNAND閃存等很規則的芯片制造領域。存儲單元(Memory Cell)采用側向結構。一般地，閃存芯片如果號稱是N層的NAND閃存，就至少有N個電路層。目前，三星的3D V-NAND存儲單元的層數已由2009年的2層逐漸提升至24層、64層，再到2018年的96層[2]，2019年8月完成128層V-NAND閃存的開發，并實現量產。三星計劃2021年下半年則會量產第7代V-NAND閃存,堆疊層數提升到176層。美光已發布了采用最新技術的第五代176層3D NAND閃存芯片[4]。

在國內，長江存儲2017年7月研制成功了國內首顆3D NAND閃存芯片；2018年三季度32層產品實現量產；2019年三季度64層產品實現量產。目前已宣布成功研發出128層3D NAND閃存芯片系列[3]。長江存儲3D NAND閃存技術的快速發展，得益于其獨創的“把存儲陣列(Cell Array)和外圍控制電路(Periphery)分開制造，再合并封裝在一起”的XtackingTM技術。

圖9.長江存儲的XtackingTM技術演示(來源：長江存儲官網)

據報道，美光最新一代的176層3D NAND將直接取代96層的版本。目前已知的是，美光首批176層3D NAND采用了將雙88層融合到一起的設計(堆疊512Gbit TLC閃存)。該芯片技術換用了電荷陷阱存儲單元的方案，似乎也極大地降低了每一層的厚度。目前176層的裸片僅為45μm，與美光的64層浮柵3D NAND相同。16層裸片堆疊式封裝的厚度不到1.5 mm，適用于大多數移動/存儲卡使用場景[4]。

后記：本文通過光刻技術和芯片制造技術介紹，理清了芯片技術中的材料介質層與電路層的概念，從而更清楚知道什么是2D芯片，什么是3D芯片？也了解到目前的3D閃存芯片，在制造時就可以堆疊集成多達176層的電路層。更甚者，這種3D芯片在封裝時還可以進行多達16層裸片的堆疊封裝。在一塊厚度不到1.5mm的閃存卡中，竟然有多達2816層的電路層在工作，芯片技術的精妙之處可見一斑。

原文標題：【芯論語】科普：芯片中的“層”，“層層”全解析

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